一种直流信号特征库与参比信号模型建立系统及方法与流程

本发明涉及电能检测，尤其涉及一种直流信号特征库与参比信号模型建立系统及方法。

背景技术：

1、在直流输配用电系统中，为了监测和评估电能的消耗和使用情况需要对电能进行计算。计算电能是能源管理的基础，通过对电能的计算，可以了解整个系统或设备的能源消耗情况，有助于进行能效评估和能源优化，这对于节约能源、提高能源利用效率以及降低能源成本非常重要。电能计算也是电力计量和结算的重要依据，通过对电能进行准确计算，可以确定电力供应商向用户提供的电能量，以便计量和结算电费。这对于电力市场的正常运转和公平交易非常重要。另外，通过对电能的计算和比较，可以识别系统中可能存在的异常情况，例如电能消耗异常、电能损耗过多等，这有助于及时发现和诊断系统中的故障，并采取相应的措施进行修复或优化。此外，通过计算电能，可以了解系统或设备的负荷使用情况。这有助于进行负荷管理和负荷优化，以确保系统在正常运行范围内，避免过载和能源浪费的情况发生。

2、在直流输配用电系统中，准确、高效的计算电能具有重要意义，为能源管理、计量和结算、故障诊断以及负荷管理等方面的工作提供数据支持和指导，优化系统的性能和能源利用效率。

3、在直流输配用电系统中存在动态直流信号，动态直流信号是指随时间变化的直流电压和电流信号，其波形复杂多变，具有宽动态范围和非平稳性等特点。动态直流信号的存在会影响电能的准确计量和有效管理，因此需要对动态直流信号进行检测和分析，以确定其特征参数和电能值。

4、目前，对动态直流信号缺乏有效的检测技术，动态直流信号的电能无法准确计量，因此，针对动态直流信号的电能计量，仍然存在着实现精确测量的需求和挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种直流信号特征库与参比信号模型建立系统及方法，用于解决动态直流信号的电能无法直接计量，缺乏有效的检测技术，不便于准确计算的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，一种直流信号特征库与参比信号模型建立系统，包括：

4、数据采集设备，用于对直流输配用电系统中的直流电压和电流信号进行实时采集，并将采集到的数据存储在数据库中；

5、数据预处理模块，用于对数据库中的数据进行滤波、去噪、归一化操作，去除数据中的噪声和异常值，提高数据质量；

6、特征提取模块，用于对预处理后的数据进行时域、频域和时频域的变换及分析，提取出反映直流信号特性和规律的特征参数；

7、聚类或分类模块，用于对提取出的特征参数进行聚类或分类算法，基于特征参数对直流信号进行分类，并为每一类赋予一个标签；

8、统计分析模块，用于对分类后的直流信号进行统计分析，确定每一类的直流信号的特征参数的范围和分布，建立典型直流信号特征库；

9、参比信号模型建立模块，用于根据直流信号的特征参数和电能计量误差产生机理，建立动态直流电能参比信号模型，用于描述动态直流信号与动态直流电能之间的数学关系。

10、进一步地，数据采集设备包括传感器和数据采集器；

11、传感器安装在直流输配用电系统中的不同位置，用于检测直流电压和电流信号，并将检测到的信号发送给数据采集器；

12、数据采集器用于接收传感器发送的信号，并将接收到的信号转换为数字信号，并将数字信号存储在数据库中。

13、进一步地，数据预处理模块包括滤波器、去噪器和归一化器；

14、滤波器用于对数据库中的数据进行滤波操作，去除高频噪声和低频干扰；

15、去噪器用于对滤波后的数据进行去噪操作，去除异常值和孤立点；

16、归一化器用于对去噪后的数据进行归一化操作，使其在同一尺度下进行比较。

17、进一步地，特征提取模块包括时域分析器、频域分析器和时频域分析器；

18、时域分析器用于对预处理后的数据进行时域分析，提取出有效值、峰值因数时域特征参数；

19、频域分析器用于对预处理后的数据进行频域分析，提取出频谱分布、谐波含量频域特征参数；

20、时频域分析器用于对预处理后的数据进行时频域分析，提取出瞬时功率、功率因数时频域特征参数。

21、进一步地，聚类或分类模块包括聚类器或分类器；

22、聚类器用于对特征提取模块输出的特征向量进行无监督的聚类算法，聚类算法包括k-均值算法、层次聚类算法，将具有相似或相同特征参数的直流信号划分为不同的类，并给每一类赋予一个标签；

23、分类器用于对特征提取模块输出的特征向量进行有监督的分类算法，分类算法包括支持向量机、决策树、神经网络，将具有相似或相同特征参数的直流信号划分为不同的类，并给每一类赋予一个标签。

24、进一步地，统计分析模块包括统计器和库生成器；

25、统计器用于对聚类或分类模块输出的不同类的直流信号进行统计分析，确定每一类信号的特征参数的范围和分布；

26、库生成器用于根据统计器输出的结果，建立典型直流信号特征库，将每一类信号的标签和特征参数的范围和分布，存储在典型直流信号特征库中。

27、进一步地，参比信号模型建立模块包括模型生成器和模型存储器；

28、模型生成器用于根据直流信号的特征参数和电能计量误差产生机理，建立动态直流电能参比信号模型，用于描述动态直流信号与动态直流电能之间的数学关系，表达式如下：

29、,

30、其中是电能，是电压信号，是电流信号，是信号的周期；

31、模型存储器用于将模型生成器生成的动态直流电能参比信号模型存储在数据库中。

32、第二方面，一种直流信号特征库与参比信号模型建立的方法，包括以下步骤：

33、a)在实际应用中的不同类型和场景下的直流输配用电系统中安装数据采集设备，对系统中的直流电压和电流信号进行实时采集，并将采集到的数据存储在数据库中；

34、b)对数据库中的数据进行滤波、去噪、归一化操作，去除数据中的噪声和异常值，提高数据质量；

35、c)对预处理后的数据进行时域、频域和时频域的变换及分析，提取出反映直流信号特性和规律的特征参数，特征参数包括有效值、峰值因数、频谱分布、谐波含量；

36、d)对提取出的特征向量进行聚类或分类算法，基于特征参数对直流信号进行分类，并为每一类赋予一个标签；

37、e)对分类后的直流信号进行统计分析，确定每一类信号的特征参数的范围和分布，建立典型直流信号特征库；

38、f)根据直流信号的特征参数和电能计量误差产生机理，建立动态直流电能参比信号模型，用于描述动态直流信号与动态直流电能之间的数学关系。

39、进一步地，特征参数包括：有效值、峰值因数、频谱分布和谐波含量。

40、进一步地，动态直流信号与动态直流电能之间的数学关系，表达式如下：

41、,

42、其中是电能，是电压信号，是电流信号，是信号的周期。

43、本发明的有益效果：对直流电压和电流信号数据进行实时采集，并对采集到的数据进行滤波、去噪、归一化处理，去除数据中的异常值，提高了数据的质量；

44、对预处理后得到数据进行时域、频域和时频域的变换及分析，提取出反应直流信号特征和规律的特征参数，并对其进行聚类或分类算法，基于特征参数对直流信号进行分类，并为每一类赋予一个标签，对不同类型和特征参数的动态直流信号进行有效识别和分类，防止直流信号之间重叠或交叉，减少计算量；

45、建立动态直流信号与动态直流电能之间的数学关系，为后续进行波形仿真拟合发生和电能检测提供理论依据和计算方法，便于准确计量电能；

46、模型生成器根据直流信号的特征参数和电能计量误差产生机理，建立动态直流电能参比信号模型，动态直流电能参比信号模型描述动态直流信号与动态直流电能之间的数学关系，然后通过模型存储器将模型生成器生成的动态直流电能参比信号模型存储在数据库中，以便后续进行调用和应用。

47、本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，得以充分体现。